CN103441527B - 一种基于实测数据的风电接入系统模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于实测数据的风电接入系统模型，该模型的建立过程，主要包括：选取待测风电场每台风电机组预设时间段内的运行数据；基于所得风电场每台风电机组预设时间段内的运行数据，建立采样点风速矩阵和采样点有功功率矩阵；基于所得采样点风速矩阵和采样点有功功率矩阵，进行计算，获得待测风电场的风速模型。本发明所述基于实测数据的风电接入系统模型，可以克服现有技术中无法解决风电场分散性问题和输出功率误差大等缺陷，以实现能够解决风电场分散性问题和输出功率误差小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体地，涉及一种基于实测数据的风电接入系统模型。
背景技术
风电的运行特性不同于常规电源，其输出的功率取决于风速的大小，具有随机性、波动性和不可控性，且单机容量小，往往是大量风力发电机组并列运行，大量风电场接入对电网的稳定运行带来了一定的影响。因此，为了更加充分地利用风力资源，需要深入研究大规模风电场并网运行的技术问题，这就需要建立适当的风机及风电场模型。
目前，我国在建或已规划风电场的主流机型是双馈风力发电机组、永磁直驱同步风力发电机组。这两种类型风电机组的风力机都具备可变桨距、可调转速的控制系统，由于气动、机械等方面的复杂机理，得到其风力机的精确模型非常困难。因此建立能满足研究需要、简化的风力机组模型，是目前风力机组建模研究的主要方法。
风电场模型主要是描述风电场输出功率与风速的关系，由于风电场内风电机组众多，且受各机组排列位置、尾流效应等因素的影响，想要建立精确的风电场模型是非常困难的。
风电场详细模型是最接近实际的方法，即建立详细到每台风电机组、风电场内部电气接线的静态、动态模型。但是对于一个由几十台甚至上百台风电机组构成的风电场，考虑相应的电气接线等因素进行详细建模，建模以及程序维护的工作量将极大，潮流以及稳定计算的算法的可靠性也是一个难题。通常各种研究关注的焦点往往是风电场整体的输出特性，因此目前针对风电场输出功率特性的研究，大部分是将风电场的整体特性作简化处理，而忽略风电场内部机组之间复杂的影响。研究方法包括：对不同类型风电场机组的出力进行等效扩大；对风速进行等效处理，再计算整个风电场的等值出力；或利用预测的理论对风电场的风速、功率的历史数据进行分析，从而得到相应时间段后风电场的输出功率值。
由于一个风电场内各台风电机组之间的电气紧密，在系统事故情况下，各台风电机组的反应十分相似，工程上完全可以采用加权求和的办法近似模拟这个风电场。同时，由于风电场为了方便控制和维护，都是采用相同型号的风电机组，所以传统的风电场等值模型忽略风电机组间风况的差别，认为各个风电机组的输出功率相同。风电场的输出功率就是单台风电机组输出功率的累加和，如下式：
；
。
目前，风电场通常占地面积较大，一个49.3MW的风电场的占地面积超过了16km2，在这样尺度的地域内，受尾流效应的影响，在排列较为集中的风电机组之间，风能的分布差异十分明显。在以往的研究中，通常采用风电场中某台风电机组输出功率的N（风电场中在运行风电机组台数）倍来等效表示整个风电场输出。
这种传统的风电场模型，忽略了各台风电机组输出功率的差异，认为它们都在相同的风况下运行。而实际上，风电场的面积一般都比较大，每个位置的风电机组的风况是不完全相同的，不同位置风电机组风况的差异会引起单台风电机组输出功率的不同。因此，这种用于等值的风电场网络结构过于简单，方法过于简略，且等值规模限于几台机组，与工程中需要的大规模风电场等值模型差距较大。
可见，传统的风电场等值模型无法解决风电场的分散性问题，并且与风电场的实际输出功率相比，误差较大。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在无法解决风电场分散性问题和输出功率误差大等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于实测数据的风电接入系统模型，以实现能够解决风电场分散性问题和输出功率误差小的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于实测数据的风电接入系统模型，该模型的建立过程，主要包括：
a、选取待测风电场每台风电机组预设时间段内的运行数据；
b、基于所得风电场每台风电机组预设时间段内的运行数据，建立采样点风速矩阵和采样点有功功率矩阵；
c、基于所得采样点风速矩阵和采样点有功功率矩阵，进行计算，获得待测风电场的风速模型。
进一步地，在步骤c之后，还包括步骤d：
根据所得待测风电场的风速模型，获取风电场平均风速-功率特性曲线；
利用风电场平均风速-功率特性曲线，作为单台风电机组的风速-功率特性模型，以平均风速作为单台风电机组的输入风速，得到单台风电机组的输出功率；
该输出功率乘以风电场风电机组的总的运行台数，即为风电场的输出功率：
；
其中，Pref为风电场的输出功率该输出功率，N为风电场风电机组的台数，P为单台风电机组的输出功率，f（v）为单台风电机组的输入风速。
进一步地，在步骤b中，所述采样点风速矩阵为：
；
其中，第i行表示第i次采样时刻n台风力发电机组分别受到的风速，第j列表示此刻第j号风力发电机组所受到的风速；n为自然数。
进一步地，在步骤b中，所述采样点有功功率矩阵为：
；
其中，第i行表示第i次采样时刻n台风力发电机组分别输出的有功功率，第j列表示此刻第j号风力发电机组所输出的有功功率。
进一步地，所述步骤c，具体包括：
⑴基于所得采样点风速矩阵和采样点有功功率矩阵，分别计算每次采样风电场的平均风速、平均功率，并选出最接近整个风电场风能分布特性1台风电机组；
⑵基于计算所得每次采样风电场的平均风速、平均功率，得到风电场的整体平均风速-功率散点曲线；
⑶将k次采样中所选出的各台风电机组风速的平均风速作为单台风电机组的输入风速，给出该风电场的风速模型：
；
其中，是第i次采样时所选取最近风电场运行特性的1台风电机组的实测风速。
进一步地，所述步骤⑵，具体包括：
①基于计算所得每次采样风电场的平均风速、平均功率，提取出k组风电场的风速-功率数据对（），得到风电场的整体平均风速-功率散点曲线；
其中，是第i次采样风电场的平均风速，是第i次采样风电场的平均功率，k为自然数；
②采用三次样条插值对所得到的数据对进行处理，得到表示风电场平均风速-功率对应关系的连续曲线，。
进一步地，在步骤a中，所述运行数据，具体为能够涵盖预设时间段内全部风速情况下风电场中所有并网运行风电机组运行情况的数据。
进一步地，在步骤a中，所述预设时间段内全部风速，具体包括从0m/s到额定风速内的全部风速。
进一步地，该模型包括用于忽略风电场内部各台风电机组间的电气连接形式、且等效整个风电场的单台风电机组，用于等效风电场内所有单台机与箱式变压器组合方式的0.69/35kV变压器，以及连接至电网的35/330kV变压器；所述单台风电机组，经0.69/35kV变压器与35/330kV变压器连接。
进一步地，所述0.69/35kV变压器，具体为0.69/35kV等效变压器；所述35/330kV变压器，具体为35/330kV升压变压器；所述单台风电机组，经35kV架空线连接至0.69/35kV变压器；所述0.69/35kV变压器通过35kV电缆接至35/330kV变压器低压侧母线。
本发明各实施例的基于实测数据的风电接入系统模型，由于该模型的建立过程，主要包括：选取待测风电场每台风电机组预设时间段内的运行数据；基于所得风电场每台风电机组预设时间段内的运行数据，建立采样点风速矩阵和采样点有功功率矩阵；基于所得采样点风速矩阵和采样点有功功率矩阵，进行计算，获得待测风电场的风速模型；可以利用风速模型求出风电场的平均风速，在风速模型中，利用平均风速作为单台风电机组的输入，以减缓功率波动幅度，解决风电场的输出功率差异；从而可以克服现有技术中无法解决风电场分散性问题和输出功率误差大的缺陷，以实现能够解决风电场分散性问题和输出功率误差小的优点。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为基于实测风速的风电场模型建立流程图；
图2为风电接入电网接线示意图；
图3为厂家风速-功率特性曲线与风机实际运行的散点图；
图4为本发明基于实测数据的风电接入系统模型中风电场的整体平均风速-功率散点曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
风电场等值模型的目的是为了简化计算，同时确保等值前后并网风电场对系统的影响一致。由于实际工况中风电场的运行方式是时刻在变的，考虑到风电场内各台风电机组风况不同的特点，将单台风电机组输出功率的差异追溯到风速的差异上，将风速进行处理，以求得风电机组的平均输出功率，再对风电场的出功率进行累加，得到风电场的等值模型。
根据本发明实施例，如图1-图4所示，提供了一种基于实测数据的风电接入系统模型，即：利用给风电机组模型输入等效风速，来减小因风电场内部的风能分散性而引起的风电机组输出差异较大的问题，并在此基础建立基于等效风速的风电场整体等值模型。
本实施例在建立基于实测数据的风电接入系统模型时，需要考虑风电场等值模型建立方法、风电场内部及其与电网的电气连接形式。
1.风电场等值模型
风电场模型建立流程如图1，首先选取待测风电场预设时间段内的每台风电机组运行数据；然后依据这些运行数据建立采样点风速矩阵、有功功率矩阵；接着分析采样点风速矩阵、有功功率矩阵得出待测风电场风速模型，再由风速模型得出风电场平均风速-功率特性曲线和平均风速；最后将平均风速输入到风电场平均风速-功率特性曲线模型中推导出风电场输出功率。
2.风电场内部及其与电网间的电气连接形式建模
由于目前风电场内发电机组一般分成十几组（每组所接台数不等），每组的各台发电机组采用单机联单元变0.69/35kV的形式接至35kV架空线，架空线汇集每组的各台风电机组，经一条35kV电缆接至升压站(35/330kV)低压侧母线上。因此可以忽略风电场内部各台风电机组间的电气连接形式，将整个风电场等效为一台风电机组，风电场内所有单台机与箱式变组合方式等效为一台大容量的0.69/35kV变压器。即等效风电场经0.69/35kV等效变压器和35/330kV变压器连接至电网，如图2所示。
参见图2，在上述实施例中，该基于实测数据的风电接入系统模型，包括用于忽略风电场内部各台风电机组间的电气连接形式、且等效整个风电场的单台风电机组，用于等效风电场内所有单台机与箱式变压器组合方式的0.69/35kV变压器，以及连接至电网的35/330kV变压器；单台风电机组，经0.69/35kV变压器与35/330kV变压器连接。0.69/35kV变压器，具体为0.69/35kV等效变压器； 35/330kV变压器，具体为35/330kV升压变压器；单台风电机组，经0.69/35kV变压器连接至35kV架空线； 0.69/35kV变压器通过35kV电缆接至35/330kV变压器低压侧母线。
在上述实施例中，该基于实测数据的风电接入系统模型，将整个风电场等效为一台风电机组，忽略风电机组内部特性，把等效后的单台风电机组看成一个二端口元件，以平均风速作为该风电机组的输入，并将该风机的输出功率以累加的形式建立风电场模型。
由于风电机组输出功率的情况由风速决定，所以本实施例对风电场的风速变化情况进行研究，建立了基于实测数据的风电接入系统模型。这种模型既考虑了风电场内各台风电机组间的风速差异，又避免了分别详细模拟每一台风电机组，导致计算量大的问题。
该基于实测数据的风电接入系统模型，可用于分析风电场的并网问题，在仿真软件中，风电接入电网接线示意图中的风电机组、0.69/35kV等效变压器、风电场内35/330kV升压变压器以及风电场与电网相连接的电气线路等按软件库中标准元件模型建立实现。
联网运行的风电机组经常处于风速和风向不断变化的运行条件下，在加上由于制造工艺等原因，在进行风电机组建模仿真和运行特性分析时，如果直接采用厂家提供的风速-功率特性曲线，会带来误差，参见图3。因此，为准确分析风电场的风速-功率特性，需要分析风电场的实测数据，从中找出能反映风电场真实风速-功率关系的特性。
假设风电场有n台并网运行的风力发电机组，选取风电场某个时间段内各个风力发电机组的运行数据作为样本（所选样本数据能够涵盖从0m/s到额定风速内全部的风速情况下风电场中所有并网运行的风电机组），其中样本采样点数为k，采样时间间隔为1min，也就是说每隔1min采样一次，k为采样次数。那么，本实施例基于实测数据的风电接入系统模型的具体建立步骤为：
⑴取风电场每台风电机组一段时间内的完整运行数据（所选出的数据能够涵盖从0m/s到额定风速内全部的风速情况下风电场中所有并网运行风电机组的运行）；
⑵建立采样点风速矩阵：
；
其中，第i行表示第i次采样时刻n台风力发电机组分别受到的风速，第j列表示此刻第j号风力发电机组所受到的风速；
⑶建立采样点有功功率矩阵：
；
其中，第i行表示第i次采样时刻n台风力发电机组分别输出的有功功率，第j列表示此刻第j号风力发电机组所输出的有功功率；
⑷分别计算每次采样风电场的平均风速、平均功率，并选出最接近整个风电场风能分布特性1台风电机组；
⑸提取出k组风电场的风速-功率数据对（），得到风电场的整体平均风速-功率散点曲线图（参见图4），其中是第i次采样风电场的平均风速，是第i次采样风电场的平均功率；采用三次样条插值对所得到的数据对进行处理，这样可以得到表示风电场平均风速-功率对应关系的连续曲线，；图4是提取出k组风电场的风速-功率数据对（），得到风电场的整体平均风速-功率散点曲线图。
⑹将k次采样中所选出的各台风电机组风速的平均风速作为单台风电机组的输入风速，给出该风电场的风速模型：
；
其中，是第i次采样时所选取最近风电场运行特性的1台风电机组的实测风速；
⑺利用风电场平均风速-功率特性曲线作为单台风电机组的风速-功率特性模型，以平均风速作为这台风电机组的输入风速，就可以得到该台风电机组的输出功率，这个输出功率乘以风电场风电机组的总的运行台数即为风电场的输出功率：
。
因此，可以将风电场整体等值为运行在基于单台机组等效风速的倍乘风电场模型。
利用上述实施例的基于实测数据的风电接入系统模型，可以对风电场平均风速模型进行选取，获取风电场平均风速-功率特性模型和风电场的平均风速模型。
与传统的风电场模型相比，本发明上述各实施例的基于实测数据的风电接入系统模型，利用风速模型求出风电场的平均风速，在风速模型中，利用平均风速作为单台风电机组的输入，这样就减缓功率波动幅度，解决了风电场的输出功率差异，因为使用的是输出功率的均值，所以风电场的输出也就更接近实际风电场的输出。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于实测数据的风电接入系统模型，其特征在于，该模型的建立过程，主要包括：
a、在预设时间段内选取涵盖从0m/s到额定风速内全部的风速情况下待测风电场中所有并网运行风电机组运行数据；
b、基于所得风电场每台风电机组预设时间段内的运行数据，建立采样点风速矩阵和采样点有功功率矩阵；
c、基于所得采样点风速矩阵和采样点有功功率矩阵，计算选取每次采样时最接近整个风电场风能变化特性的风电机组；用所选出的各台风电机组获得待测风电场的风速模型，并经等效风电机组、等效风电场变压器接至电网侧升压变压器；
这样就建立了基于实测数据的风电场接入系统模型；
所述步骤c，具体包括：
⑴基于所得采样点风速矩阵和采样点有功功率矩阵，分别计算每次采样风电场的平均风速、平均功率，并选出最接近整个风电场风能分布特性的1台风电机组；
⑵基于计算所得每次采样风电场的平均风速、平均功率，得到风电场的整体平均风速-功率散点曲线；
⑶将k次采样中所选出的各台风电机组风速的平均风速作为单台风电机组的输入风速，给出该风电场的风速模型：
；
其中，是第i次采样时所选取最近风电场运行特性的1台风电机组的实测风速。
2.根据权利要求1所述的基于实测数据的风电接入系统模型，其特征在于，在步骤c之后，还包括步骤d：
根据所得待测风电场的风速模型，获取风电场平均风速-功率特性曲线；
利用风电场平均风速-功率特性曲线，作为单台风电机组的风速-功率特性模型，以平均风速作为单台风电机组的输入风速，得到单台风电机组的输出功率；
该输出功率乘以风电场风电机组的总的运行台数，即为风电场的输出功率：
；
其中，Pref为风电场的输出功率，N为风电场内风电机组的台数，P为单台风电机组的输出功率，f（v）为单台风电机组的风速-功率函数，v为风速。
3.根据权利要求1或2所述的基于实测数据的风电接入系统模型，其特征在于，在步骤b中，所述采样点风速矩阵为：
；
其中，第i行表示第i次采样时刻n台风力发电机组分别受到的风速，第j列表示此刻第j号风力发电机组所受到的风速；n为自然数。
4.根据权利要求1或2所述的基于实测数据的风电接入系统模型，其特征在于，在步骤b中，所述采样点有功功率矩阵为：
；
其中，第i行表示第i次采样时刻n台风力发电机组分别输出的有功功率，第j列表示此刻第j号风力发电机组所输出的有功功率。
5.根据权利要求1所述的基于实测数据的风电接入系统模型，其特征在于，所述步骤⑵，具体包括：
①基于计算所得每次采样风电场的平均风速、平均功率，提取出k组风电场的风速-功率数据对（），得到风电场的整体平均风速-功率散点曲线；
其中，是第i次采样风电场的平均风速，是第i次采样风电场的平均功率，k为自然数；
②采用三次样条插值对所得到的数据对进行处理，得到表示风电场平均风速-功率对应关系的连续曲线，。
6.根据权利要求1或2所述的基于实测数据的风电接入系统模型，其特征在于，在步骤a中，所述运行数据，具体为能够涵盖预设时间段内全部风速情况下风电场中所有并网运行风电机组运行情况的数据。
7.根据权利要求6所述的基于实测数据的风电接入系统模型，其特征在于，在步骤a中，所述预设时间段内全部风速，具体包括从0m/s到额定风速内的全部风速。
8.根据权利要求1或2所述的基于实测数据的风电接入系统模型，其特征在于，该模型包括用于忽略风电场内部各台风电机组间的电气连接形式、且等效整个风电场的单台风电机组，用于等效风电场内所有单台机与箱式变压器组合方式的0.69/35kV变压器，以及连接至电网的35/330kV变压器；所述单台风电机组，经0.69/35kV变压器与35/330kV变压器连接。
9.根据权利要求8所述的基于实测数据的风电接入系统模型，其特征在于，所述0.69/35kV变压器，具体为0.69/35kV等效变压器；所述35/330kV变压器，具体为35/330kV升压变压器；所述单台风电机组，经0.69/35kV变压器接至35kV架空线；所述0.69/35kV变压器通过35kV电缆接至35/330kV变压器低压侧母线。
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